临床放射生物学基础
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放射生物学(Radiobiology)放射生物学研究的是放射对生物体作用及其效应规律的一-门学科。
1.正常组织对放射性的反应2.肿瘤对放射性的反应正常组织对放射的反应最小耐受量(TD5/5)一定的剂量-分割模式照射后5年内严重放射并发症发生率不超过5%的剂量最大耐受量(TD50/5)一定的剂量-分割模式照射后5年内严重放射并发症发生率不超过50%的剂量肿瘤放射治疗的两大基本原则1.最大程度地杀灭肿瘤2.最大程度地保护正常组织正常组织与肿瘤组织分次照射后的差别二、分次放疗的生物学基础(4R理论)在引起相同正常组织损伤时,多数时候分割照射的肿瘤局控要优于单次照射分割放射的生物学基础一4R理论(1975由Withers提出)放射损伤的修复(Repair of radiation damage)细胞周期的再分布(Redistribution within the cell cycle)乏氧细胞的再氧合(Reoxygenation)再群体化(Repopulation)(一)细胞放射损伤的修复1.亚致死损伤(sublethal damage)指受照射以后,细胞的部分靶内所累积的电离事件,通常指DNA单链断裂。
亚致死损伤是一种可修复的放射损伤。
亚致死损伤的修复:指假如将某一给定单次照射剂量,分成间隔一定时间的两次时所观察到的存活细胞增加的现象。
1959年EIkind发现,当细胞受照射产生亚致死损伤而保持修复能力时,细胞能在3小时内完成这种修复,将其称之为亚致死损伤修复。
影响亚致死损伤的修复的因素:1.放射线的质低LET辐射细胞有亚致死损伤和亚致死损伤的修复,高LET辐射细胞没有亚致死损伤因此也没有亚致死损伤的修复2.细胞的氧合状态处于慢性乏氧环境的细胞比氧合状态好的细胞对亚致死损伤的修复能力差3.细胞群的增殖状态未增殖的细胞几乎没有亚致死损伤的修复临床意义:细胞亚致死损伤的修复速率一般为30分钟到数小时常用亚致死损伤半修复时间(T1/2) 来表示不同组织亚致死损伤的修复特性在临床非常规分割照射过程中,两次照射之间间隔时间应大于6小时,以利于亚致死损伤完全修复2.潜在致死损伤(potential lethal damage)正常状态下应当在照射后死亡的细胞,在照射后置于适当条件下由于损伤的修复又可存活的现象。
间接作用:水的辐射反应的产物跟溶质分子间的作用BT定律:一种组织的放射敏感性与其细胞的分裂活动成正比而其分化程度成反比的结论放射增比剂(OER):缺氧条件下产生一定效应的剂量/有效条件下产生同样效应的剂量传能线密度(LET):电离粒子在其单位长度径迹上消耗的平均能量间期死亡:当细胞受到大剂量(100Gy或更大)照射时,细胞未经分裂就在间期立即死亡,这种死亡方式称为间期死亡铅当量:把达到与一定厚度的某屏蔽材料相同屏蔽效果的铅层厚度,称为该一定厚度屏蔽材料的铅当量屏蔽防护:是指在放射源和人员之间,放置能有效吸收放射线的屏蔽材料,从而衰减或取消射线对人体的危害放射损伤:由放射线照射引起的机体组织的损害原子能级:原子具有的能量是不连续的,这种不连续的能量状态,称为原子的能级时间防护:是指在不影响工作质量的前提下,尽量缩短人员受照射的时间危险度:即器官或组织接受单位当量剂量照射引起随机性损害效应的几率1.X线的防护的原则有哪些①X射线检查的正当化和最优化②X射线工作者与受检者防护兼顾③固有安全防护为主与个人防护为辅④合理降低个人受照剂量与全民检查频率2.光电效应的利与弊利:①不产生散射线,大大减少了照片的灰雾②可增加人体不同程度和造影剂对射线的吸收差别,产生高对比度的X线照片,对提高诊断的准确性很有好处③在放疗中,光电效应可增加肿瘤组织的剂量,提高其疗效。
弊:①入射X线通过光电效应可全部被人体吸收,增加了受检者的剂量。
3.宫内照射的有害效应包括哪些①胚胎死亡②畸形③智力低下④诱发癌症4.细胞周期各时相的放射敏感性①放射敏感性最高的时相是M和G2期②LS期放射抗性最强③若G1期想当长则G1早期有抗性,G1末期敏感④细胞内的巯基化合物较多,不敏感⑤S期后部的抗性通常最高5.辐射根据本质和作用的分类,并举例按粒子辐射:本质是一些高速运动的粒子。
本粒子带电粒子:a粒子,b粒子,质子(+),π介子,重离子质不带电的中性粒子:中子分电磁辐射:本质是一种电磁波(光子)如x射线,r射线,紫外线等。
临床放射生物学基础在医学领域中,临床放射生物学是一门至关重要的学科,它研究的是电离辐射与生物体相互作用的规律和机制,对于肿瘤的放射治疗、放射性损伤的预防和治疗等方面都具有重要的指导意义。
首先,我们来了解一下什么是电离辐射。
电离辐射是指能够使物质中的原子或分子发生电离的辐射,包括 X 射线、γ射线、质子、中子等。
当这些辐射与生物体相互作用时,会产生一系列的生物效应。
电离辐射对生物体的作用主要分为直接作用和间接作用。
直接作用是指辐射直接与生物大分子,如 DNA 等发生作用,导致其结构和功能的改变。
而间接作用则是通过辐射与水分子相互作用,产生自由基等活性物质,进而损伤生物大分子。
细胞是生物体的基本结构和功能单位,因此细胞对电离辐射的反应是临床放射生物学研究的重点之一。
不同类型的细胞对辐射的敏感性不同。
一般来说,增殖活跃的细胞,如造血细胞、胃肠道上皮细胞等,对辐射比较敏感;而神经细胞、肌肉细胞等分化成熟的细胞则相对不敏感。
细胞受到辐射后,会出现一系列的变化。
在细胞周期方面,辐射可能导致细胞周期的阻滞,使细胞停留在某个特定的时期,以便进行损伤修复。
如果损伤过于严重无法修复,细胞就会启动凋亡程序,以避免受损细胞的继续存活和增殖。
DNA 是遗传信息的携带者,辐射对 DNA 的损伤是导致细胞生物效应的关键因素。
常见的 DNA 损伤包括单链断裂、双链断裂、碱基损伤等。
其中,双链断裂被认为是最严重的损伤,如果不能及时准确地修复,很可能导致细胞死亡或基因突变。
辐射引起的生物效应还与辐射的剂量、剂量率、照射方式等因素有关。
低剂量辐射可能会引起一些适应性反应,如增强细胞的修复能力和抗氧化能力;而高剂量辐射则往往导致严重的损伤甚至细胞死亡。
剂量率越高,细胞损伤越严重;分次照射则可以利用细胞的修复能力,减轻辐射损伤。
在肿瘤的放射治疗中,临床放射生物学的原理得到了广泛的应用。
通过合理选择辐射剂量、照射方式和分次方案,可以最大程度地杀伤肿瘤细胞,同时保护正常组织。
大分割照射的临床生物学基础Basic Clinical Radiobiology of Hypofractionation Radiotherapy易俊林中国医学科学院肿瘤医院放疗科国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林临床放射生物学●研究对象: 肿瘤患者●研究核心: 剂量-效应关系时间-剂量-分割模式(TDF ) ●评价指标: 肿瘤控制 &正常组织损伤●研究目标: 寻找最大肿瘤控制和最小正常 组织损伤之间的最佳平衡●放疗的理论基础 相当于内科的药理学 国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林深部X-线机放射治疗学科的发展C0-60机IMRT&IGRT 1950年以前2000年以后直线加速器 1930年以前1960年代以后 二维三维IMRT四维及生物靶区国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林治疗分割模式的发展国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射vs 手术 引起关注STARS and ROSEL 研究,58 pts cT1–2a (<4 cm), N0M0 SABR 31例, 18Gyx3 /12.5Gyx 4 或 12Gy x 5F 肺叶切除+纵隔淋巴结清扫或取样 27例国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Therapeutic Ratio LossGain 国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林分次照射的敏感性特定照射靶区,相同正常组织损伤前提下, 分次数与肿瘤控制率的关系国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割临床应用时正常组织a/β的计算◆正常组织(肺/脊髓)BED 计算时,是基于均匀剂量分布/全部体积照射的◆这种情况在临床实践中几乎不会发生,特别是在小体积/非均匀照射为特征的大分割的情况下◆在计算生物学效应时需要考虑 正常组织的构成 (串联/并联)和照射体积的 因素◆在大分割时,正常组织的等效a/β就尤为重要国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 的计算等效a/β基于L-Q 公式,考虑正常组织的构成和剂量分布均匀性最简单的情形,正常组织接受100%的均匀剂量照射国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 的计算非均匀照射时,以及正常组织并联/串联的构成时◆等效a/β值与正常组织的平均剂量负相关◆如果等效a/β值越高,越接近肿瘤组织(10),也就是说正常组织的单次剂量越低,越能从大分割照射中获益国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林大分割正常组织等效 a/β 和组织构成的关系n 表示组织构成 串联-并联轴, 0代表串联器官,1代表并联器官国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系(1)前列腺癌周围型肺癌椎体转移瘤肿瘤α/β小于周围组织,周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织,周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织,周围重要器官 串行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系(2) 脑转移瘤肿瘤包埋于周围组织,a/β多种多样,周围组织为串行组织脑转移瘤的治疗决策因素: 1. KPS 2. 部位 3. 大小 4. 数目5. 临床症状6. 病理(乳腺癌/肺癌/肾癌/其他)7. 颅外病变控制情况国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林不同组织的α/β值-前列腺癌大分割 肿瘤组织的BED 获益比周围正常组织高, 治疗比>1, 有利于缩短治疗时间, 提高肿瘤细胞杀灭1999年~,17个 研究,9 EB-LDR ,1 EB-HDR , 5 EB ,2 离体实验前列腺癌国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林相同物理剂量对不同α/β值的组织的BEDHD-BT 54 Gy/9FEBRT 46Gy/23F+ 19.5 Gy/2F38 Gy/4F52.5 Gy/20F78 Gy/39F66 Gy/33F70.2 Gy/39F国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林前列腺癌大分割照射结果-SBRTFFBF, 无生化复发率; H,高危组; I, 中危组;L, 低危组国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林前列腺癌大分割照射结果(HDR-BT )国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林乳腺癌加速分割照射结果-局控和生存国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林乳腺癌加速分割照射结果-美容效果和毒副作用国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肿瘤组织与正常组织的相对关系(2)前列腺癌周围型肺癌椎体转移瘤肿瘤α/β小于周围组织,周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织,周围组织为并行组织肿瘤α/β大于周围组织,周围重要器官 串行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射结果-SABR国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射-SABR vs 手术STARS and ROSEL 研究,58 pts clinical T1–2a (<4 cm), N0M0 31 to SABR , 27 to 肺叶切除+纵隔淋巴结清扫或取样 18Gyx3 /12.5Gyx 4 或 12Gy x 5F国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射毒副作用国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌大分割照射结果-BED/EQD2国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林BED 与TCP (NSCLC )左图:来自临床数据,不同分给模式的(2年局部控制率)与BED 的关系 右图:消除不同研究人数不同的情况下,计算出的TCP 与BED 的关系 实线:根据L-Q 模型拟合的TCP 与BED 的关系提示:SBRT/SRS 能够得到好的控制率,在于这些技术能够给予肿瘤更高的BED国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林肺癌局部控制率与BED 的关系-常规分割国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Chi , BioMed Research International Volume 2013, Article ID 391021, /10.1155/2013/391021周围型肺癌肿瘤α/β大于周围组织,周围组织为并行组织国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊Chi , BioMed Research International Volume 2013,Article ID 391021, /10.1155/2013/391021●新的模型 universal survival curve (USC) 模型●基于肿瘤细胞杀灭的多靶学说来预测细胞存活的模型 Park,C. IJROBP , 2008, 70,847–852国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊L-Q 模型过高估计了高剂量条件下细胞杀灭效应2v假设α/β =8.6Gy时L-Q模型的细胞存活曲线LQL模型(线性-二次-线性模型)USC:万有曲线模型提示:在高剂量照射时,细胞或组织能够耐受比L-Q预测的更多的剂量国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林NSCLC 的α/β值计算数据来源Chi , BioMed Research International Volume 2013,国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林分次剂量与局部控制率的关系, 3FChi , BioMed Research International Volume 2013,国医学科学院肿瘤医院放疗科易俊林Tumor iso BED with differernt α/β ratios & LC in NSCLCChi , BioMed Research International Volume 2013,不同α/β值计算出的BED 均与LC 正相关,α/β取值>10时,相关性更好。
放疗名词解释:1、放射生物学:临床放射生物学是在放射生物基础理论研究的基础上,探讨人类肿瘤及其正常组织在放射治疗过程中放射生物学效应问题的一门科学,是肿瘤放射治疗技术学的重要基础之一。
2、相对生物效应:是指要达到同样生物效应时的标准射线(250KV X射线)所用剂量和某种射线所用剂量的比值。
3、直接作用:指放射线直接作用于生物组织细胞中的生物大分子,使其产生电离和激发,并最终导致其发生放射性损伤称之为电离辐射的直接作用。
高LET射线以直接作用为主。
4、间接作用:指在放射线与生物组织作用、尤其是与生物组织内水分子作用产生自由基,这些自由基再与生物大分子作用使其损伤。
这种放射性损伤称之为电离辐射的间接作用。
5、核衰变:放射性核素自发地发出一种或一种以上的射线并转变成另一种核素的过程称为核衰变。
核衰变是放射性核素的一种属性。
衰变必然伴随有放射。
6、放射性活度:指单位时间内原子核衰变的数目,其单位为1/秒。
专用名:贝可Bq7、放射性同位素:不稳定的同位素具有放射性。
这种不稳定性主要是由于原子核中的质子和中子不平衡性造成的。
随着原子序数的增加,一种元素的同位素越来越多。
元素周期表后面的重元素都具有天然放射性。
8、放射源:在没有特别说明的情况下,一般规定为放射源前表面的中心,或产生辐射的靶面中心。
9、照射野中心轴:射线束的中心对称轴线,临床上一般用放射源S与穿过照射野中心的连线作为照射野的中心轴。
10、等中心:是准直器旋转轴(假定为照射野中心)和机架旋转轴的相交点,与机房中所有激光灯出射平面的焦点相重合。
此点到放射源的距离称源轴距11、肿瘤的致死剂量:通过放射治疗使绝大部分的肿瘤细胞死亡而达到控制肿瘤,局部治愈的放射剂量即为肿瘤的放射剂量。
12、正常组织耐受量:各种不同组织接受射线照射后能够耐受而不致造成不可逆性损伤所需要的最大剂量为该组织的耐受量。
13、组织量:所谓组织量是指患者受照射组织在一定深度的射线吸收剂量。